一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法。所述聚烯烃电介质绝缘复合材料包括96～99.75％的聚烯烃电介质基体和0.25～4％的改性纳米粒子填料；所述的改性纳米粒子填料为电压稳定剂功能化的纳米粒子。本发明专利技术通过点击化学反应在纳米粒子表面接枝电压稳定剂作为填料，可提高复合材料的直流击穿强度。其中，电压稳定剂不仅能够捕捉高能电子，消耗其能量以减少电子与聚合物碰撞引发的电学击穿，而且能够提高纳米粒子和聚烯烃之间的相容性。而纳米粒子则能够起到抑制电压稳定剂迁移和空间电荷积累和注入的作用。所制得复合材料具有高直流击穿强度和高热稳定性的特点，适用于高电压直流电缆绝缘领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法
本专利技术属于高电压电气绝缘材料制备领域，涉及电气绝缘聚烯烃电介质，具体涉及一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法。
技术介绍
聚烯烃电介质的介电常数低、介电损耗低、电阻率高、直流击穿强度高、热力学性能优异和优异的耐化学品特性，被广泛应用于高电压电气绝缘领域。在高直流电场下，高能量电子与聚合物分子链发生碰撞造成严重的电老化现象。此外，直流电流产生的大量焦耳热会显著降低聚合物的击穿强度。因此，需要提高聚烯烃电介质的直流击穿强度和热稳定性，进而提高电气绝缘材料的使用寿命。纳米粒子表面接枝上的电压稳定剂捕捉高能电子并消耗其能量，减少高能电子与聚合物碰撞带来的电老化。同时，电压稳定剂作为有机物接枝在无机纳米粒子表面，增强了纳米填料与聚烯烃电介质的相容性和界面结合力。无机纳米粒子以其具有特殊的表面效应能够在粒子表面形成大量的电荷陷阱，限制空间电荷运动能力，改变空间电荷分布，从而提高纳米复合材料的击穿强度。此外，将电压稳定剂小分子接枝在纳米粒子表面有效的抑制了小分子在聚烯烃电介质中的迁移行为。将电压稳定剂和纳米粒子相结合，能够取长补短，制备出高直流击穿强度和高热稳定性的纳米绝缘复合材料。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术的目的在于高效提升电气绝缘材料的直流击穿强度以适用于高电压直流工作环境，提供一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料及其制备方法。通过在硅烷偶联剂修饰的纳米粒子上接枝活化电压稳定剂，形成电压稳定剂功能化的纳米粒子。纳米粒子上接枝的电压稳定剂具有捕捉高能电子且消耗其能量的能力，从而降低电子与聚合物碰撞带来的电击穿，此外能够提高无机纳米粒子和聚烯烃之间的相容性和界面结合力。纳米粒子具有抑制电压稳定剂迁移和抑制空间电荷注入和积累的作用。因此，电压稳定剂功能化的纳米粒子可以提升聚烯烃电介质直流击穿强度和热稳定性，从而使复合材料具备优异的电气绝缘性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料，所述聚烯烃电介质绝缘复合材料以质量分数100％计，包括96～99.75％的聚烯烃电介质基体和0.25～4％的改性纳米粒子填料；所述的改性纳米粒子填料为电压稳定剂功能化的纳米粒子；所述电压稳定剂选自二苯基乙二酮、对甲氧基二苯基乙二酮、对羟基二苯基乙二酮、对酰胺基二苯基乙二酮、对氨基二苯基乙二酮、9-噻吨酮、2-羟基-9-噻吨酮、2-羟基-4-甲氧基-9-噻吨酮、2-羟基-4-酰胺基-9-噻吨酮、2-氨基-4-甲氧基-9-噻吨酮的一种或多种。优选地，所述的纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米钛酸钡、纳米氮化硼和石墨烯中的一种或者多种。优选地，所述的电压稳定剂功能化的纳米粒子的制备包括以下步骤：A.电压稳定剂的活化：将电压稳定剂分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后将得到的羟基化电压稳定剂与甲基丙烯酰氯反应，所得产物再与乙酸酐反应，得到活化的电压稳定剂；B.硅烷偶联剂包覆纳米粒子：将纳米粒子与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的纳米粒子；C.电压稳定剂功能化的纳米粒子：将硅烷偶联剂包覆的纳米粒子、活化的电压稳定剂和引发剂反应，即得。优选地，步骤A中，所述酸溶液包括体积比为1:1～5的醋酸和氢溴酸，所述电压稳定剂和酸溶液的固液比为1:10～50，羟基化反应10～48小时；所述羟基化电压稳定剂与甲基丙烯酰氯的质量比为1:1，冰浴下反应2～5小时；所得产物与乙酸酐的质量比为1:1，60～100℃下反应10～48小时。上述反应的固液比过高，则反应物难以在溶剂中有效分散，造成反应进行不完全；如果固液比过低，则反应物在溶剂种浓度降低，反应速率大大降低。优选地，步骤A中，所述羟基化电压稳定剂溶于二氯甲烷后，再与甲基丙烯酰氯反应；所述产物溶于吡啶后，再与乙酸酐反应；所述羟基化电压稳定剂和二氯甲烷的固液比为1:5-20；所述产物与吡啶的固液比为1:5-25。所述固液比过高，则反应物难以在溶剂中有效分散，造成反应进行不完全；如果固液比过低，则反应物在溶剂种浓度降低，反应速率大大降低。优选地，步骤B中，所述硅烷偶联剂为γ-巯丙基三乙氧基硅烷，与纳米粒子的质量比为1:0.5～2；所述反应具体在80～100℃下反应12～60小时。如果硅烷偶联剂用量过多，会造成其在溶剂中发生自聚合，达不到包覆纳米粒子的效果；如果硅烷偶联剂用量过少，则导致包覆效果不佳，纳米粒子表面官能团数量达不到下一步反应的需求。优选地，步骤C中，所述活化的电压稳定剂的用量为步骤B中纳米粒子质量的5～20％；如果电压稳定剂用量过多，会导致电压稳定剂吸附在纳米粒子表面，使得电压稳定剂难以通过点击化学反应截止到纳米粒子表面；如果电压稳定剂用量过少，会导致接枝到纳米粒子上的含量较少，起不到高效提高聚烯烃电介质绝缘复合材料的作用。所述活化电压稳定剂和引发剂的质量比为1:0.25～4；引发剂用量过多，难以去除，用量过少不能完全引发点击化学反应，电压稳定剂的接枝率降低。所述反应具体采用在氮气氛围下60～70℃反应12～60小时。优选地，步骤B中，所述纳米粒子分散在甲苯中，然后与硅烷偶联剂反应；所述纳米粒子与溶剂的固液比为1:20-50；如果溶剂用量过少，导致硅烷偶联剂浓度增高，使其在溶剂中发生自聚合的几率大大提高，最终导致包覆效果不佳。所述溶剂为甲苯、乙醇、乙醇水混合溶剂或水均可。步骤C中，所述反应在N,N-二甲基甲酰胺中进行；所述硅烷偶联剂包覆的纳米粒子与N,N-二甲基甲酰胺的固液比为1:5-25。所述固液比过高，反应物不能完全分散，降低电压稳定剂接枝率，固液比过低，则降低反应速率。更优选，将硅烷偶联剂包覆的纳米粒子分散在N,N-二甲基甲酰胺中，并在水浴中超声0.5-4小时。更优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。优选地，所述的聚烯烃电介质基体为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、等规聚丙烯、间规聚丙烯、无规聚丙烯、乙烯-辛烯共聚物、乙丙共聚物中的一种或多种。本专利技术还提供了一种高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1、将部分聚烯烃电介质基体和改性纳米粒子填料熔融共混，得到母料；S2、将母料和余下的聚烯烃电介质基体在熔融共混，得到高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料颗粒；S3、将高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料颗粒热压成膜，经高温退火后，即得所述高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料。优选地，步骤S1中，所述聚烯烃电介质基体和改性纳米粒子填料在微量混合流变仪中熔融共混，条件为140～200℃，40～60rmp，5～15min。优选地，步骤S2中，所述母料和聚烯烃电介质基体在微量混合流变仪中熔融共混，条件为140～200℃，40～60rmp，5～15min。优选地，步骤S3中，所述的高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料颗粒在平板硫化机中热压成膜的加工条件为温度150～210℃，压力10～15MPa，预热2～20min，热压2～20min，冷压2～20min；所述高温退火的条件为80～120℃真空退火8～12h。优选地，步骤A中，所述部分聚烯烃电介质基体的质量为聚烯烃电介质基体总质量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料，其特征在于，所述聚烯烃电介质绝缘复合材料以质量分数100％计，包括96～99.75％的聚烯烃电介质基体和0.25～4％的改性纳米粒子填料；所述的改性纳米粒子填料为电压稳定剂功能化的纳米粒子；所述电压稳定剂选自二苯基乙二酮、对甲氧基二苯基乙二酮、对羟基二苯基乙二酮、对酰胺基二苯基乙二酮、对氨基二苯基乙二酮、9‑噻吨酮、2‑羟基‑9‑噻吨酮、2‑羟基‑4‑甲氧基‑9‑噻吨酮、2‑羟基‑4‑酰胺基‑9‑噻吨酮、2‑氨基‑4‑甲氧基‑9‑噻吨酮的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料，其特征在于，所述聚烯烃电介质绝缘复合材料以质量分数100％计，包括96～99.75％的聚烯烃电介质基体和0.25～4％的改性纳米粒子填料；所述的改性纳米粒子填料为电压稳定剂功能化的纳米粒子；所述电压稳定剂选自二苯基乙二酮、对甲氧基二苯基乙二酮、对羟基二苯基乙二酮、对酰胺基二苯基乙二酮、对氨基二苯基乙二酮、9-噻吨酮、2-羟基-9-噻吨酮、2-羟基-4-甲氧基-9-噻吨酮、2-羟基-4-酰胺基-9-噻吨酮、2-氨基-4-甲氧基-9-噻吨酮的一种或多种。2.根据权利要求1所述的高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料，其特征在于，所述的纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米氧化铝、纳米钛酸钡、纳米氮化硼和石墨烯中的一种或者多种。3.根据权利要求1或2所述的高直流击穿强度的聚烯烃纳米复合绝缘材料，其特征在于，所述的电压稳定剂功能化的纳米粒子的制备包括以下步骤：A.电压稳定剂的活化：将电压稳定剂分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后将得到的羟基化电压稳定剂与甲基丙烯酰氯反应，所得产物再与乙酸酐反应，得到活化的电压稳定剂；B.硅烷偶联剂包覆纳米粒子：将纳米粒子与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的纳米粒子；C.电压稳定剂功能化的纳米粒子：将硅烷偶联剂包覆的纳米粒子、活化的电压稳定剂和引发剂反应，即得。4.根据权利要求3所述的高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料，其特征在于，步骤A中，所述酸溶液包括体积比为1:1～5的醋酸和氢溴酸，所述电压稳定剂和酸溶液的固液比为1:10～50，羟基化反应10～48小时；所述羟基化电压稳定剂与甲基丙烯酰氯的质量比比为1:1，冰浴下反应2～5小时；所得产物与乙酸酐的质量比为1:1，60～100℃下反应10～48小时。5.根据权利要求3所述的高直流击穿强度的聚烯烃电介质绝缘复合材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄兴溢，高雅涵，江平开，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31